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图6拆分后样品的外观照片
结果表明,所检3种样品各部件的萃取物中,NG样品B组(铁片、铁芯、支架、卷轴)和C组(漆包线)检出有机硅,其他样品的部件未检出有机硅。
典型图片见图7所示。
图7NG品C组部件萃取物与聚二甲基硅氧烷的红外吸收光谱比较图
3、结论
1)所检3种继电器样品中,NG品B接点的接触电阻均大于100mΩ,不符合要求;
而OK品A、B接点的接触电阻及NG品A接点的接触电阻均小于100mΩ,符合要求;
2)所检3种继电器(2个/种)的触点中,NG品的触点及触点周围检出大量的含碳(C)、氧(O)、硅(Si)等元素的异物,而OK品的触点表面未检出异物;
3)所检3种继电器(13个/种)部件的萃取物中,NG品B组(铁片、铁芯、支架、卷轴)和C组(漆包线)检出有机硅,其他样品的部件未检出有机硅。
聚合物分析
所送样品是2种黑色防紫外线扣,其外观照片见图1。
委托单位要求确定2种样品的主成分是否为尼龙,如果是尼龙,再确定是尼龙6还是尼龙66。
图1样品的外观照片
2、分析方法及结论
2.1用显微红外光谱仪(FT-IR)分析样品是否为尼龙,2种黑色防紫外线扣与尼龙的红外吸收光谱比较图如下,由此得出2种样品的主成分相同,均为尼龙(Nylon)。
图22种黑色防紫外线扣与尼龙的红外吸收光谱比较图
2.2用示差扫描量热仪(DSC)测试样品的熔点,确认样品是尼龙6还是尼龙66。
结果显示所检“11”黑色防紫外线扣的熔点为260.8℃,“13”黑色防紫外线扣的熔点为261.2℃,即2种黑色防紫外线扣的熔点与尼龙66的相近。
(备注:
尼龙6的熔点为215~225℃,尼龙66的熔点为250~260℃)
漏电失效(CAF)
一、样品描述:
手机开机固定的键开始自动拨号。
图1按键位置图
二、电性能测试
电性能测试发现失效品的总线R366与6、7、8号键间的阻值为0.01MΩ,而正常品R366与6、7、8号键间的电阻值为4.68MΩ,即失效品R366与6、7、8号键有短路。
且6、7、8处波形异常。
图2失效样品波形测试图
图3正常样品波形测试图
图4失效孔位置图
三、金相分析
图5失效孔位置阳极导电丝图片
四、分析结论
间存在阳极导电丝导致漏电失效是引起产品自动拨号的原因。
焊点开裂(黑焊盘)
一、样品描述:
在测试过程中发现板上BGA器件存在焊接失效,用热风拆除BGA器件后,发现对应PCB焊盘存在不润湿现象。
二、染色试验:
焊点开裂主要发生在四个边角上,且开裂位置均为BGA器件焊球与PCB焊盘间。
开裂面积
开裂模式
?
TypeA:
100%开裂
Type1:
器件焊盘与焊球间开裂
TypeB:
50%≤开裂<
100%
Type2:
PCB焊盘与焊球间开裂
TypeC:
开裂<
50%
/
TypeD:
未开裂
TypeE:
无焊点
/
三、金相及SEM分析
图2开裂焊球SEM照片
图3开裂焊球SEM照片
图4失效PCBA焊盘富磷层EDS分析
图5失效PCBA焊盘正常部位Ni层EDS分析
四、综合分析
对所送PCBA器件焊点进行分析,均发现已失效器件和还未失效器件焊点在IMC与Ni层的富磷层(P-Rich)间存在开裂,且镍层存在腐蚀;
在焊接过程中,Sn与Ni反应生成Sn/Ni化合物,而镍层中的磷不参与合金反应,因此多余的磷原子则会留在镍层和合金层界面,过多的P在镍和IMC界面富集将形成黑色的富磷(P-Rich)层,同时,存在的镍层腐蚀会影响焊料与镍层的结合,富磷层和镍层腐蚀的存在会降低焊点与焊盘之间的结合强度;
当焊点在组装过程中受到应力时,会在焊点强度最弱处发生开裂,BGA封装角部焊点由于远离中心点,承受的应力更大,故开裂一般会先发生在角部。
由于未发现板子严重翘起、器件机械损伤等异常应力作用的特征,因此导致焊点开裂的应力可能来自于回流焊接或者波峰焊接过程等环境中所受到的正常应力。
同时,同批次及相邻批次PCB样品(生产日期0725和0727)Au/Ni焊盘SEM&
EDS的分析结果也表明,PCB焊盘Ni层也存在一定腐蚀。
由以上分析可得,由于较厚富磷层(P-Rich)及镍层腐蚀的存在,将降低焊点与焊盘之间的结合强度,使得该处成为焊点强度最薄弱的地方,在受到正常应力情况下,发生开裂失效。
五、分析结论
(1)BGA器件焊接失效表现为焊点存在100%开裂,开裂位置发生在IMC与PCB焊盘Ni层的富磷层(P-Rich)间。
(2)导致BGA焊点开裂的原因是,焊点中PCB面焊盘镍层存在腐蚀以及镍层表面富磷层的存在降低了焊点与焊盘的机械结合强度,当受到正常应力作用时发生开裂失效。
上锡不良
委托单位称上述PCBA存在明显的吃锡不良现象(图中红色箭头标示处),且上锡不良均发生在第二次焊接面,通过改变锡膏、PCB板及不同的生产线都无法改善。
二、外观检查
上锡锡不良焊点在PCB焊盘一侧呈现明显的不润湿或反润湿现象,焊料全部流向元器件可焊端。
三、金相分析
PCB焊盘吃锡不良的焊点中焊料在PCB焊盘一侧均存在润湿不良,不润湿处PCB焊盘表面可见明显的金属间化合物,焊料润湿不良处PCB焊盘表面可焊性镀层不明显。
PCB焊盘的可焊性镀层厚度不均匀,局部位置的可焊性镀层偏薄,在经过一次回流焊接后,锡铅可焊性镀层与PCBCu焊盘之间形成合金,降低了PCB焊盘的可焊性。
可焊性降低最终引起上锡不良。
USB失效分析典型案例
1.失效现象:
样品为4PCSUSB壳,外观照片见图1,申请单位反映这些USB金属壳表面生锈,需分析USB铁壳生锈的原因。
图1样品外观照片
2分析过程
2.1外观检查
目测USB壳外观,发现外被覆有透明塑胶层的USB金属壳表面呈现红色锈斑(见图2),而暴露在外面的未被覆透明塑胶层的USB壳表面则较清洁,呈现金属光泽(见图3)。
图2外被覆透明塑胶层的USB壳局部外观图片
图3未被覆塑胶层的局部USB壳表面外观图片
2.2SEM观察和EDS分析
分别对USB壳锈蚀部位(壳体及尾部)及正常USB壳表面进行SEM&
EDS分析,代表性SEM照片及能谱图详见图4、图5,测试样品的SEM照片显示:
USB壳锈蚀部位均检出碳(C)、氧(O)、铁(Fe)、镍(Ni)元素及高含量的强腐蚀性的硫(S)、氯(Cl)元素,同时还检出较高含量的锡(Sn)元素;
正常USB壳表面仅检出铁(Fe)、镍(Ni)元素。
图4USB壳体锈蚀处的SEM&
EDS谱图
图5USB壳正常位置的SEM&
2.3红外光谱分析(FT-IR)
按GB/T6040-2002的方法,取适量USB壳外被覆塑胶,将其置于红外显微镜下进行红外光谱分析,检测结果显示USB壳外被覆塑胶材质为聚氯乙烯(PVC)。
3分析结论
1)USB壳在氯(Cl-)、硫(S2-)、锡(Sn)元素、氧(O2)及水(H2O)等的作用下发生腐蚀,同时USB壳的表面镀层存在针孔、裂纹等缺陷也会加速USB壳的腐蚀。
2)腐蚀性的氯(Cl)、硫(S)元素及杂质锡(Sn)元素可能来源于USB产品生产工艺中的过程污染,其中氯(Cl)元素也有可能来源于其外被覆PVC塑胶层的降解。
高压瓷介电容器—吸潮漏电击穿
1.样品名称:
高压瓷介电容器
2.背景:
交变潮热后耐压试验。
3.失效模式:
漏电击穿。
4.失效机理:
潮热吸水造成漏电击穿。
5.分析结论:
电容器击穿是由于瓷体存在裂纹,裂纹的存在一方面加剧了电容器边缘电场分布的不均匀程度,另一方面可能使电容器在交变湿热试验后残留水分,降低了电容器的抗电强度。
裂纹形成的原因可能是瓷体烧前的机械划痕或者成型时原料中混入了可燃性异物。
6.分析说明:
电容器击穿部位包封料已脱落,击穿部位银电极发生局部熔融,并向四周散开(图1,图2);
击穿部位电容器的侧面有明显的烧痕迹,说明电容器边缘发生击穿。
在显微镜下观察,击穿部位明显的裂纹,图3。
能谱分析表明,击穿通道上玻璃相有微裂纹。
电容器击穿部位银电极熔融照片
电容器侧面的击穿位置裂纹照片
裂纹放大照片
裂纹位置玻璃相形貌电镜照片
FCBGA封装器件的失效分析与对策
1引言
随着硅单芯片集成度不断提高,对集成电路封装要求更加严格,I/O引脚数急剧增加,功耗也随之增大。
为满足发展的需要,减少器件的寄生电感、噪声,传统引线键合形式逐步被新型封装形式所取代。
在原有封装品种基础上,倒装芯片球栅阵列封装利用焊球凸点实现芯片与封装基板的电连接,把裸芯片正面朝下安装在基片上,结构示意图见图
(1)成为高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择[1]。
向下朝放的芯片表面与基板之间的空隙(solderbump的高度)填充着非导电的填充物underfill,通常为环氧树脂。
该underfill的作用为
(1)保护焊球凸点不受潮气、空气或其他化学物质影响;
(2)减少芯片与基板之间的热失配问题,减少分层现象或热疲劳损伤引起的失效。
但是,FCBGA封装器件制造过
程中会经历多个高温阶段,芯片与封装基板之间的热膨胀系数不同,很容易由于热膨胀不匹配而产生破裂或分层现象,加剧了焊球可靠性的退化。
无铅焊球工艺的引入使工艺和焊接温度提高,加大了焊球间短路的可能性;
同时,Sn含量的增加和封装焊球间距的缩小加剧了锡须发射的几率,对其可靠性及相关影响因素需要进一步的研究。
2试验与分析结果
2.1倒装芯片上焊球间短路的案例分析
DSP处理器经失效模式验证,确认很多电源焊球与地之间短路,特别是内核电压大部分焊球与地短路。
通过逐层剥层并将样品芯片整个露出,可见芯片上的焊球之间明显存在短路通道(图2)。
图3为焊球间短路的局部放大图。
透过图3所示的剖面层,也可以清楚看见该层之下层面存在大量的焊球间短路现象。
X射线透视检查验证了短路通道在观察剖面和剖面下都存在,图4。
为了进一步确认短路处的成分,对焊球间的连接物进行能谱成分分析(图5~6),能谱分析结果表明,短路处材质和焊球材质相同,均为铅锡焊料,焊料含铅量在22%~32%左右。
对好品的焊球也进行能谱分析,焊球为含铅约23%的铅锡合金,与失效样品焊料成分相同。
考虑到BGA封装过程中采用回流焊接工艺连接芯片焊球与PCB衬底,焊料在此过程中会熔化。
因此判断短路是在回流焊接时形成的,是焊球在高温时熔融形成的短路通道。
FCBGA封装器件,经失效模式确认,样品大部分管脚与地之间为开路。
进行cross-section分析,发现芯片上的焊球多处发生断裂开路,如图7所示。
该样品为塑料FCBGA封装,对潮湿非常敏感,在高温条件下,它能使封装器件与衬底裂开。
这是由于芯片与基板之间所填充的环氧树脂容易吸附潮气,当器件被加热到再流焊温度时,它所吸附的潮气就会汽化,在环氧树脂内造成大的应力,水汽如果在粘模片下的衬底上形成气泡,将导致炸裂。
如果吸附的潮气很多,那么炸裂就会很厉害,使芯片凸点与封装基板之间发生裂缝分层、焊球断裂,最终导致多个管脚与地之间开路失效。
3预防与改进
FCBGA封装器件很容易受回流焊工艺的影响,发生因underfill膨胀分层而焊球断裂开路的状况,或者高温焊接过程导致焊球熔融、连接形成短路通道的失效现象。
因此,必须严格控制好FCBGA的安装及使用过程。
在安装前,最好把器件放在125℃的烤箱中烤24小时,且这种烘烤最好能在惰性气体环境中进行。
否则,回流焊中的高温很容易导致吸潮的环氧树脂汽化炸裂。
塑料FCBGA属于湿敏性元件,出厂时均是采用真空包装,但在运输周转过程中很容易破坏其真空包装,导致元件受潮和焊球氧化,受潮器件在安装拆卸时易发生水汽汽化导致封装器件与衬底裂开的失效现象。
非真空的元件应该放入低湿柜中按要求进行贮存,防止器件吸潮和焊球的氧化。
同时按“先进先出”的原则进行控制,尽量降低贮存风险。
受潮的P-FCBGA在使用前必须进行除湿处理,BGA的除湿通常有低温除湿和高温除湿两种。
(1)低温除湿是采用低湿柜除湿,除湿比较费时,通常在5%的湿度条件下,需要192小时;
(2)高温除湿是采用烘箱除湿,除湿时间比较短,通常在125℃条件下,需要24小时。
实际中,对那些非真空包装的元件进行高温除湿后,放入低湿柜中贮存,以缩短除湿的周期。
对湿度严重超标的封装建议采用低温除湿,而不采用高温除湿,由于高温除湿的温度较高(大于100摄氏度)而且速度快,如果湿度较高,会因为水分的急促汽化而导致元件失效。
在生产现场使用时,真空包装的元件拆封后,必须交叉检查包装的湿度卡,湿度卡上的湿度标示超标时,不得直接使用,必须进行除湿处理后方可使用。
生产现场领用非真空包装的元件时,必须检查该料的湿度跟踪卡,以确认该料的湿度状态,无湿度跟踪卡的非真空包装的元件不得使用。
同时严格控制BGA在现场的使用时间和使用环境,使用环境应该控制在25摄氏度左右,湿度控制在40-60%之内,BGA现场的使用时间应控制在24小时以内,超出24小时的BGA必须重新进行除湿处理。
同时,必须严格控制好回流焊的温度、时间,一定要依据BGA制造商提供的数据,防止损坏BGA的内部结构或由于再流时间过长而造成的器件损坏。
一般再流焊条件为:
最佳温度215℃,最高温度低于240℃,熔化温度183℃下保持30~60秒。
适用于Sn63Pb37再流焊各阶段的温度控制曲线可参考图8。
4结论
1)FCBGA器件中的焊球在高温焊接过程中出现焊球熔融、连接形成短路通道的失效现象。
2)FCBGA封装器件容易受回流焊工艺的影响,发生因焊球间填充物(underfill)膨胀分层、焊球断裂而开路失效。
3)FCBGA是湿敏性元件,使用前需进行除湿处理。
集成电路芯片安全隐患检测技术
电子元器件特别是集成电路是现代电子设计中重要的部件,作为整个信息产业的基础,在信息安全上有着重要和关键性的作用,这不仅表现在现代信息处理要依赖集成电路技术,更反映在集成电路本身的安全与否和被处理信息的安全息息相关[1]。
一颗集成电路芯片由几百万个甚至几亿个晶体管构成,如果设计者在其中的某些晶体管上“开了后门”,一般是很难查出来的,这样就为使用者造成了隐患。
随着现代集成电路技术的发展,包含CPU、存储器、信号产生/发射单元以及嵌入式软件等的集成电路已广泛应用于通讯数据处理、信息存储之中,而这些电路中包含的软件算法、运算单元、存储结构以及信号发射/接受控制电路等,都容易在设计过程中被植入恶意的、不受使用方控制的程序或电路,导致在使用过程中出现不受控的安全问题;
也有可能是在设计过程中由于考虑不周全而存在设计漏洞,从而在信息交换或处理中被他方窃取。
这些问题都属于电子元器件的安全隐患问题,经常会导致被处理信息的泄漏,导致公司重要客户信息或决策被竞争对手获取,造成严重的不良后果。
研究集成电路的安全隐患问题,不仅仅是防止信息的丢失或保证系统的安全,更主要的是找到不安全隐患的原因,制订出对策,确保使用的芯片更可靠,系统更不容易出问题。
2集成电路芯片的安全隐患类型
不考虑由于设计不完善导致的安全隐患问题,要在集成电路中实现植入后门、制造安全漏洞的方法通常有三种:
一种是完全用硬件实现,在电路中专门设计特殊的控制单元,与电路的正常功能一起工作,占用芯片的面积和逻辑电路资源,这可以在简单的电路中就得到实现;
一种是将控制信息和算法完全用软件实现,在需要时通过特定信号进行触发或定时触发,这种方法一般是用在高级的电路中;
第三种是软硬件结合,将控制信息和处理部分用硬件、部分用软件来实现,这种方法是最难被检测到的方法,但通常成本也是最大的。
针对这几种产生电路安全隐患的手段,相应的芯片安全检测方法也可以分为三大类:
物理检测,电学检测和协议检测。
物理检测的核心是通过逆向工程的方法获得集成电路的版图,并经过分析掌握与安全相关的电路拓扑,进而找到与安全隐患相关的电路部分。
在电学检测中,可以将芯片置于非正常状态以探取芯片设计中的逻辑漏洞并确定其类型,或者对集成电路芯片的每个动作产生的微小电性能差异进行跟踪和分析,从而了解芯片的内部可能存在的异常功能电路;
协议检测是在获得了部分安全控制算法结构的信息之后由这方面的专家或熟知这方面技术的专业人员通过分析和尝试进行的一种检测手段。
协议检测的方法需要对信息控制和算法有比较深入的了解,一般属于密码学的范畴,需要信号处理和通信方面的专家来进行,同时还需要对集成电路内部逻辑结构有较深入的理解,实施起来比较困难。
在目前的设备条件和技术能力来看,更多的采用物理检测和电学检测相结合的方法来实现电子元器件的安全隐患检测是一个可行的方案。
3安全隐患检测的检测方法
3.1电学检测
针对怀疑存在安全隐患的电路,分析其中可能的导致安全隐患的结构,使用一系列专门设计的较短的测试向量来激励特定的电路单元和被测电路网络,结合电路的结构分析,对芯片电路各组成部分逐一分析,确定电路中存在/不存在怀疑的结构。
同时,通过模拟各种特殊环境应力条件(如超高频信号、电磁脉冲环境、过电应力条件等),分别在芯片处于非工作状态或正常工作状态下测试其功能和参数,与常规工作状态进行比较,检测芯片内部是否存在易受外加信号触发的结构。
对需进行安全检测分析的集成电路采用高时域精度的方法,分析电源接口在集成电路正常工作过程中产生的各种电磁辐射的以及电源电流变化的模拟特征。
芯片中隐藏的附加的电路在启动后也会消耗一定的功率,因此可以测试和比较电路导通瞬间的电流IDDT,进一步通过频谱变换如傅立叶分析和小波分析的方法来确定异常的导通瞬间电流,来判断是否存在附加的电路。
IDD频谱图形测试方法是在被测样品(DUT)的输入端施加测试向量,测试向量的频率可达到DUT的工作频率[2]。
DUT工作时,其内部晶体管处于开关工作状态,DUT电源电流包含了晶体管开和关的开关电流。
通过频谱仪检测分析DUT的电源电流,在频率域而不是时域获取电源电流的信息,除可获得晶体管静态电流所包含的信息,还获得晶体管开关工作时开关电流的信息。
如果测试向量输入时,异常的集成电路结构将导致异常的电流成份出现,这块集成电路的电流频谱将和正常的集成电路不同,两者比较分析便可判断该集成电路是否存在未列出或冗余的电路模块。
基于集成电路芯片工作电流变化的电学检测技术是通过对集成电路运行过程中的信号变化以及能量消耗进行分析,判断其电流输运和信号传递路径的方法,包括电压分析技术、故障分析技术、时间分析技术、简单的电流分析技术、差分电流分析技术、电磁辐射分析技术等,其中应用最多、也最广泛的技术是简易功率分析和微分能量分析技术[3,4,5]。
3.2软硬件协同测试
对于含有嵌入式软件的电路,需要进行软硬件的协同测试。
采用快速原型系统,将电路置于系统仿真验证环境中,对电路的各个功能块利用与其有关的成套系统测试分别孤立的加以测试验证,辨别其中的特殊模块,特别是其中的控制数据流向、信号传递的模块,与常规控制模块进行比较。
同时,软硬件协同测试,有利于分辨电路控制指令的功能,确定各个阶段电路的工作状态。
在芯片的检测过程中,采用单步跟踪和断点是最根本技术。
3.3物理检测
即版图分析,采用反向工程的方法利用开封、制样、拍照、拼图、扫描电镜、电子探针等硬件设备对芯片版图进行细致分析,检测提取相应的电路结构,分析判断其中超过功能要求的部分,确定是否存在后门电路和冗余电路等安全隐患。
结构分析在芯片安全检测中的作用主要体现在可以通过版图重构技术重新建立芯片的逻辑电路图,从物理层次分析电路不同模块的作用,以发现当中是否包含由异常的有可能是安全隐患的电路模块。
在物理上解剖芯片,可以使用各种化学腐蚀和机械剖切的手段,一微米一微米地将芯片上的不同覆层剥离,再使用光学显微镜和精密机械探针,研究芯片的电连接和功能。
用于芯片安全隐患检测、分析的系统和分析设备包括电子束探针系统、聚焦离子束、红外热像仪、扫描电镜、显微镜、半导体参数分析仪等。
通过使用这些仪器,就能对芯片各表层和纵向剖面进行分析,准确定位芯片内部信号传送路径以及电平转换节点,分析提供完整的芯片内部物理结构。
例如,电子束诊断系统的探针能够透过芯片表面钝化层探测、采集到器件波形,快速准确地定位和分析节点信号,并提供出较有效的电压信号变化信息。
离子束修补系统可对工艺线宽最小至0.35微米的集成电路封装器件或管芯进行修补,包括切割介质、切割金属、淀积金属、淀积二氧化硅,从而实现对集成电路布线修改、测试点制作、电阻修调以及剖面制作等。
在芯片安全隐患的检测过程中,若有可能,应尽可能的选择相同或相近的、已知结构和功能的芯片或结构进行对比性检测分析。
4基于电流变化的电学检测技术
CMOS门电路是由上拉PMOS晶体管和下拉NMOS晶体管电路互补构成的,通常情况下只有一个晶体管导通。
当集成电路内部处理的数据发生变化时,反映在CMOS电路上即为状态的变化,这种状态的变化导致CMOS电路的功率消耗,也就是电路上电流的变化。
理想状态下,CMOS集成电路静态电流为零,晶体管开关上升沿和下降沿为垂直,开关电流为零,不存在功耗的问题。
但实际上,CMOS集成电路在工作过程中,晶体管的开关过程是一个对其负载充放电的过程,需要一定的时间,消耗一定的功率;
而且,管子处于关态时,有一定的漏电流。
最简单的CMOS集成电路单元CMOS反相器结构如图2所示,CMOS反相器工作时的的电压、电流波形表示在图2的右侧。
CMOS反相器在实现倒
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